汽车动力电池系统热失控引发的安全性问题剖析-欧洲杯买球app

电动汽车是新能源行业中发展最为迅速的新兴产业。然而以热失控为特征的锂离子电池系统的安全性事故时有发生，困扰着电动汽车的发展。本文跨越小编将探讨动力电池的安全性问题，为大家剖析动力电池因热失控所造成安全性事故的常见形式及成因。

动力电池安全性问题

锂离子动力电池事故主要表现为因热失控带来的起火燃烧。今年电动汽车因热失控发生的安全事故如图1、表1所示。

（表-1  近年发生的锂离子动力电池事故）

（图-1  近年发生的锂离子动力电池事故）

（1）电池系统安全性的“演变”。即电池系统长期老化——“演化”（事故1、2、3、5、7）和突发事件造成电池系统损坏——“突变”（事故4、6）。

（2）“触发”——锂离子动力电池从正常工作到发生热失控与起火燃烧的转折点。

（3）“扩展”——热失控带来的向周围传播的次生危害。

锂离子动力电池系统安全性问题表现为3个层次（图2所示）。

（图-2 动力电池系统安全性问题的层次）

动力电池安全性演变机理

电池系统长期老化带来的可靠性降低，演化耗时长，可以通过检测电池系统的老化程度来评估电池系统安全性的变化；相比而言安全性突变难以预测，但是可以通过既有事故的形式来改进电池系统的设计。

电池系统任何部件的老化都可能带来安全事故的触发，如事故1、7。除此之外，电池本身的安全性演化主要表现为内短路的发展。电池内部的金属枝晶生长是造成内短路的主要原因之一。值得一提的是，老化电池的能量密度降低，热失控造成的危害可能会降低；另一方面老化电池更容易发生热失控。

（图3 锂离子电池内部金属枝晶的生长与隔膜的刺穿）

动力电池系统热失控机理

动力电池事故发生前必然要进入“触发”阶段。一般在这之后，电池内部的能量将会在瞬间集中释放造成热失控，引发冒烟、起火与爆炸等现象。当然电池安全事故中，也可能不发生热失控，热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸，也可能都不发生，这取决于电池材料发生热失控的机理。

图4、图5与表2展示了某款具有三元正极/pe基质的陶瓷隔膜/石墨负极的25 a·h锂离子动力电池的热失控机理。热失控过程分为了7个阶段。

图4 某款三元锂离子动力电池热失控实验数据（实验仪器为大型加速绝热量热仪，ev-arc）

图5 某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理

（表-2 某款锂离子动力电池热失控的分阶段特征与机理）

对于冒烟的情况，在阶段v，如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃，电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出，此时观察到的会是白烟；反之则是黑烟。

对于起火的情况，引燃的主要原因是喷出的气体温度高于其闪点，电解液气体与氧气剧烈反应。

对于爆炸的情况，必备的条件是电池内部具有高压气体积聚，安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。

动力电池热失控事故触发的分类

根据触发的特征，可以分为机械触发、电触发和热触发3类。

图6 事故触发的分类

热失控扩展的机理

热失控扩展过程中的热量传递有3条可能的主要路径：

（1）相邻电池壳体之间的导热；

（2）通过电池极柱的导热；

（3）单体电池起火对周围电池的炙烤。

图7 热失控扩展的几条可能路径

动力电池系统安全性问题主要分为3个层次，即“演变”、“触发”与“扩展”。从这三个层次出发，深入研究各个层次的热系统转化机理及其演变过程，提出有效的事故防范措施和安全性监控措施，是下一步动力电池模组研究的工作重点。

防范热失控扩展与电池系统设计的矛盾

导热性能是指导热材料传递热量的能力。不同物质导热系数各不相同，相同物质的导热性能与多种因素有关。例如：结构、密度、湿度、温度、压力等。同一物质的含水率低、温度较低时，导热系数较小。一般来说，固体的热导率比液体的大，而液体的又要比气体的大。这种差异很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致。